时速160公里动力集中动车组车顶制造工艺研究

【摘  要】时速160公里动力集中动车组是由中国铁路总公司主导，中车唐山公司牵头，组织客车主机厂及院校联合设计而成，是具有完全自主设计权的“复兴号”系列产品之一，其在旅客舒适度、安全性能、维修成本、车辆整体档次等方面较25型客车均有较大提高，未来可全面替代25T型客车，成为我国下一代普速客车的主力产品。与此同时，其对车体制造精度及质量也提出了更高要求。160公里动车组碳钢车体是由底架、侧墙、端墙、车顶构成的薄壁筒型整体承载结构，车顶作为重要部件，其制造精度直接影响着整车的装配质量。与25T型车车顶相比，160公里动车组车顶钢结构在细节处做了创新优化。本文通过对动车组车顶的结构特点、制造工艺及技术难点的分析，提出有效的质量控制措施，为后续类似车型生产提供借鉴。

【关键词】车顶钢结构;制造工艺;不平度

引言

随着轨道车辆的高速和轻量化的发展，铝合金材料越来越多地被使用，同时对铝合金车体的装配和焊接质量提出了更高的要求。铝合金焊接过程中的热应力和相变应力等因素往往导致焊接变形，不但影响了结构的外形尺寸及精度，增加了调修矫正工作量，而且会诱发错边、未熔合和裂纹等焊缝质量缺陷产生，降低结构的承载能力。所以，如何减小焊接变形，避免火焰调修，提高生产效率，越来越多地受到关注。针对高速动车组铝合金车顶焊接变形及生产效率低下的现象，对高速动车组中间车顶TP的制造工艺进行研究，提出优化制造工艺流程，预制反变形，优化工艺的措施，应用结果表明效果良好。

1车顶结构与制造工艺

1.1车顶结构特点

时速160公里动力集中动车组车顶由车顶边梁、车顶骨架、平顶及水箱大盖框等组成钢框架，钢框架外面焊有车顶板，内部焊有车顶附件，共同组成车顶钢结构。车顶边梁是采用冷弯工艺制造的通长零件，车顶骨架由车顶弯梁、纵向梁构成，均为压型件。车顶板由侧顶板和中顶板构成，其中侧顶板为冷弯型材，中顶板为2块纵向通长板搭接而成。车顶断面与25T型车车顶类似。其主要技术要求为：车顶宽度3100mm，公差要求-3～+3mm，高度821mm，公差要求-3～+5mm，车顶（含一二位端顶）长度25500mm，公差要求-7～+5mm，侧顶不平度≤2mm/m，中顶不平度≤4mm/m。对比现有25T型车，时速160公里动力集中动车组车顶钢结构的主要变化有：①车顶骨架梁柱密度增大。②车顶边梁由“L”型结构改为“C”型结构。③减少附件吊码数量，车顶内部设置通长C型槽。④取消车顶两侧雨檐结构。总体来说，车顶结构的变化及精度要求的提升，加大了车顶制造难度。

1.2车顶制造工艺

根据设计结构特点，时速160公里动力集中动车组车顶采取先正装后反装的组装方式，车顶焊接采用MAG焊工艺。结合现行模块化生产工艺，先进行平顶组成焊接、中顶骨架模块组焊、侧顶组焊、中部端顶组焊，待各部件焊接完成后，进入车顶组焊工装，采用正装方式，进行各部件的组装定位压紧点焊。车顶外侧长大焊缝的焊接在二次焊接胎完成，最后在车顶翻转工装内焊接车顶内部各道焊缝及采用反装形式焊接车顶附件。车顶全部焊接完毕后，要对车顶焊接变形进行调修，并进行车顶淋雨试验，不得有漏水现象。

1.3车顶典型工序

第一，侧顶：侧顶板、车顶边梁均采用通长冷弯型材。侧顶板与侧顶弯梁、纵向梁、车顶边梁在侧顶组焊胎内组装成侧顶组成，组装方式为反装形式。制造流程：吊运单片侧顶板入胎，以工装定位块为基准摆放侧顶板。以侧顶板横向中心线为基准，画线确定各侧顶弯梁、纵向梁的位置，按画线位置摆放侧顶弯梁、纵向梁，并进行微调，保证各侧顶弯梁定位距侧顶板横向中心偏差≤3mm。吊运车顶边梁入胎，调整车顶边梁纵向位置，使车顶边梁与侧顶板横向中心对正。之后，将侧顶组焊工装上的纵向和侧向压卡装置压紧，压紧顺序自胎位横向中心向两端压紧，最后进行侧顶焊接。关键控制点：侧顶弧度、直线度、不平度≤2mm/m，不允许有硬伤和局部凹凸不平现象;侧顶弯梁与侧顶板焊接间隙≤0.5mm。焊接工艺：此工序主要完成侧顶弯梁、纵向梁、车顶边梁与侧顶板的焊接。焊接过程采用MAG焊，以80%Ar+20%CO2作为保护气体，焊接填充材料选用ϕ1.0mm的ER50-G焊丝。以侧顶弯梁与侧顶板的焊接为例，其焊缝形式为z2的角焊缝。为减小焊接变形，焊接前通过工装卡具配合木锤确保侧顶弯梁与中顶板的焊接间隙≤0.5mm，并采用由中间向两侧的焊接顺序进行焊接。第二，车顶：平顶组成、中顶骨架模块、侧顶组成、中部端顶，均单独成组件，在车顶组装时直接使用。车顶组装采用正装工艺，在车顶组焊工装内完成。制造过程：组装侧顶组成→组装端顶→组装平顶模块→组装中顶骨架模块→组装中顶板→安装车顶通风器、水箱大盖框等→车顶两端及中部安装工艺支撑→焊后出胎。中顶骨架模块组装时，以车顶横向中心为组装基准，先将中部中顶骨架模块进行摆放并检测各弯梁距车顶横向中心尺寸是否在公差±3mm范围内，再依次摆放其他各组车顶骨架模块，每组中顶骨架模块中靠近一、二位端的弯梁距车顶横向中心尺寸在公差±3mm范围。关键控制点：中顶骨架弯梁根部与侧顶板之间的间隙≤0.5mm;中顶骨架弯梁间高低差≤2mm/3m;中顶板与弯梁的焊接间隙≤0.5mm。焊接工艺：车顶各组件在车顶组焊胎内完成装配及部分焊接后进入车顶二次焊接胎进行焊接。其中两块中顶板、中顶板与侧顶板、侧顶板与车顶边梁的焊接是整个车顶焊接过程中的重点和难点。中顶板与侧顶板均为2mm的薄板，且焊缝为纵向通长焊缝，其焊接质量直接影响车顶整体不平度。目前生产现场仍采用MAG焊工艺，保护气体为80%Ar+20%CO2，填充材料为1.0mm的ER50-G焊丝。侧顶板与中顶板的焊缝形式为z2的搭接角焊缝，其焊接参数同表1。焊接顺序为由中间向两侧施焊，整条焊缝采用分段跳焊的形式。

2优化制造工艺

铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大约2倍，易产生较大的焊接变形和残余应力。为满足工艺要求，通常车顶在组焊且调修完成后，采用大型加工设备整体加工，但随之而来的是生产效率低下，产能下降。为提高产能，精益生产，优化了车顶制造工艺流程，即车顶组对前对型材按图纸要求进行机加工，车顶组焊调修后直接流转至车顶总成焊接胎位，在组装过程中预制反变形，研配工艺放量，优化焊接工艺。通过批次试验表明，制造工艺流程优化后，车顶尺寸和焊缝质量满足工艺技术要求，节省工时约7h，产能提高近20%。针对车顶弯梁小骨架模块整体平面度不一致问题，改用车顶弯梁大骨架组装工艺，新制车顶弯梁大骨架模块组焊工装，大骨架模块包含6～7根车顶弯梁及相关纵梁，在组焊工装上通过反装工艺组焊完成。

结语

通过对时速160公里动力集中动车组车顶结构及制造工艺方法的分析，以及针对车顶不平度问题的探究，提出了车顶不平度质量控制措施，为后续工作积累了宝贵的经验。

参考文献：

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[2]程永明，刘胜龙.焊接反变形在200EMU车顶组焊过程中的应用研究[J].机械，2012，39（2）：4-6.

[3]任庆武.浅析客车钢结构车顶制造工艺[J].机车车辆工艺.1999（1）：20-21.

（作者单位：中車唐山机车车辆有限公司）